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    多核處理器滿足壓力表多樣化的功能和安全性要求

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    預計汽車,工業,機器人技術,建筑控制和其他關鍵嵌入式系統應用程序將承擔更多的工作負載,從低功耗實時監控到具有用于人機界面(HMI)的多屏圖形顯示的高級多媒體應用程序。在滿足這些廣泛的功能要求時,它們還必須能夠支持嚴格的安全標準,降低成本和占地面積,并優化電源/性能平衡。

    為了滿足這些有時有時相互沖突的要求,迄今為止,開發人員不得不犧牲功能或使設計和制造復雜化,并增加支持圖形,安全性和安全性等特定要求所需的附加設備。開發人員真正需要的是一個單一的解決方案,該解決方案能夠支持范圍廣泛的關鍵嵌入式系統應用程序中滿足這些要求的多種產品。

    本文快速介紹了關鍵嵌入式系統設計的發展。然后,它將展示如何使用多核應用處理器(由恩智浦半導體專門設計來支持快速擴展的對廣泛功能和安全認證功能的要求列表)如何用于解決開發人員的挑戰。
     
    嵌入式系統設計注意事項的演變
    嵌入式設備在支持一組有限的系統功能方面的傳統作用已被對提供廣泛功能的設備的需求所取代。例如,在工業應用中,對智能工具和設備中增強的HMI功能的需求要求處理器能夠在滿足更多傳統工業實時要求的同時提供優化的圖形。同樣,汽車應用向包含功能域集群和網關的分層體系結構的趨勢推動了對完全能夠滿足這些要求的處理器的需求(圖1)。
    在每個功能域中,對更復雜功能的需求不斷提高性能和集成功能的門檻。例如,平視顯示器的出現要求解決方案能夠確保持續向駕駛員提供重要的圖形信息。與這些下一代顯示器一起,對增強駕駛員意識的日益增長的需求也增加了對攝像頭接口以及高性能執行高級識別軟件的需求,這些軟件能夠提供睡意檢測功能。

    隨著應用程序的不斷發展,對高度集成,可擴展的解決方案的需求變得越來越迫切,以滿足日益多樣化的需求,同時最大限度地減少了設計占地面積,成本和復雜性。使用恩智浦的i.MX 8應用處理器系列,開發人員可以利用兼容的處理器平臺,并具有滿足廣泛應用需求所需的一系列功能和性能。在i.MX 8系列中,恩智浦i.MX 8X系列滿足了中檔汽車和工業應用對安全認證處理器的新興需求。

    多核架構可管理各種工作負載
    開發人員在實現用于汽車和工業應用的設備時面臨的困難之一是需求的廣度。在開發人員可以期望處理實時或高級應用程序處理工作負載的地方,對智能子系統的需求已將這些明顯不同的計算類型合并在一起。開發人員越來越需要能夠在支持功能安全性要求的同時提供可靠的實時響應和高性能應用程序執行的解決方案。

    恩智浦i.MX 8X系列處理器旨在提供實時功能,高性能處理和低功耗,旨在充分利用復雜的多核中央處理器(CPU)架構來管理各種計算工作負載(圖2)。
    對于一般的實時處理任務,i.MX 8X設備包括帶浮點單元(FPU),內存保護單元(MPU),內存映射加密加速單元(MMCAU)的Arm Cortex-M4(CM4)處理器。雜項控制模塊(MCM)。為了支持傳感器和執行器等外圍設備,該用戶CM4復合系統將嵌套矢量中斷控制器(NVIC)與一整套接口和模塊結合在一起,包括低功率周期性中斷定時器(LPIT),脈寬調制(PWM)和汽車和工業應用中通常需要的其他功能。一對高速緩存和具有糾錯碼(ECC)功能的緊密耦合內存(TCM)有助于最大程度地減少對外部存儲器的訪問,加快執行速度并處理內存錯誤。

    為了快速執行應用程序工作負載,CPU平臺包括多個省電的Arm Cortex-A35應用程序處理器(AP)-8DualXPlus處理器中的兩個AP(例如MIMX8UX6AVLFZAC)和8QuadXPlus處理器中的四個AP(例如MIMX8QX6AVLFZAC)。除了專用指令(I $)和數據(D $)高速緩存外,CPU平臺還包括帶有ECC的共享512 KB(Kbyte)2級(L2)高速緩存。

    該架構的Arm Cortex-A35內核同時提供軟件兼容性和性能可擴展性,同時支持32位向后兼容性和64位性能。為了進一步加快計算密集型算法(例如信號處理和機器學習)的執行速度,Arm Cortex-A35處理器提供了矢量浮點(VFP)處理和Arm的Neon單指令多數據(SIMD)體系結構擴展。為加速用于圖像處理,計算機視覺和機器學習的軟件的執行,Arm Compute庫提供了針對Arm處理器和圖形處理單元(GPU)架構進行了優化的功能,而開源Ne10 C庫提供了Arm優化的功能,可用于計算,密集的操作。

    專用引擎可減輕主CPU的負擔
    除了用戶CM4復合體和Arm Cortex-A35多核CPU平臺以外,該體系結構還為多媒體應用程序提供了其他專用引擎。該架構與用于音頻和語音編解碼器處理的數字信號處理器(DSP)一起,集成了GPU和視頻處理單元(VPU)。該設備的GPU支持標準圖形庫,可使用具有16個執行單元的四個獨立的四分量浮點矢量(vec4)和高性能的二維位blit引擎來加速操作。VPU處理流行的視頻格式,加速解碼高達4Kp30(逐行,30 Hz)和編碼高達1080p30。反過來,該芯??片的專用顯示控制器模塊可以將圖形輸出驅動到多達三個獨立的顯示器。

    為了進一步最大化性能,i.MX 8X架構還集成了其他處理器內核,這些處理器內核旨在使主CPU平臺擺脫執行系統管理和安全服務通常會產生的額外處理負載。對于系統管理,該體系結構的系統控制單元(SCU)集成了一個與用戶CM4復合體相匹配的CM4復合體,但仍完全專用于SCU操作,并且無法供開發人員使用(圖3)。

    在管理電源,時鐘和其他內部功能的同時,SCU在正常操作中還控制引腳多路復用和輸入/輸出(I / O)通道驅動強度。實際上,用戶CM4 Complex和Arm Cortex-A35 AP無法直接訪問這些各種底層硬件功能。相反,SCU用于抽象這些功能,因此在用戶CM4或AP上運行的軟件只需要調用SCU固件應用程序編程接口(API)功能即可執行諸如關閉不需要的電源域等功能。例如,如果該電源域正在與另一個處理器共享,則SCU會簡單地確認掉電請求,但仍使該域通電,直到該其他處理器也發出了掉電請求。

    為了管理i.MX 8X設備的廣泛安全支持,設備的安全控制器(SECO)子系統中將使用另一個專用處理器。在SECO子系統內,集成的低功耗Arm Cortex-M0 +處理器執行支持基于硬件的安全功能的固件,包括用于安全密鑰的專用總線訪問,用于安全密鑰存儲的一次性可編程(OTP)存儲器以及安全的非安全密鑰。易失性存儲(SNVS),用于存儲其他私有數據或臨時密鑰(圖4)。

    除了這些核心安全機制之外,SECO子系統還通過其身份驗證調試模塊(ADM)協調安全操作,以進行篡改檢測和安全調試。為了安全執行,集成的加密加速和保證模塊(CAAM)硬件安全模塊支持全套安全算法,包括對稱和非對稱密碼,哈希函數和隨機數生成器(RNG)。

    在正常操作中,包括SCU,AP和數字傳輸內容保護(DTCP)加速器在內的設備處理單元使用SECO安全互連來通過系統總線訪問CAAM功能。除了通過CAAM直接存儲器訪問(DMA)功能進行訪問之外,SECO的專用Cortex-M0 +處理器無法訪問系統總線。相反,它使用受保護的內部連接來訪問外圍設備,安全的隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)以及其專用私鑰總線。

    連同其DTCP加速器的使用,此私鑰總線在i.MX 8X處理器支持中對實時加密和解密起著中心作用。在這里,安全處理器使用其資源來提供設備的內聯加密/解密引擎(IEE)模塊所需的私鑰,因為它可以安全地從加密存儲中讀取或寫入數據,而無需請求處理器,DMA控制器或I / O的參與設備。

    SECO子系統基于集成在設備Cortex-A35處理器中的Arm的TrustZone技術,在安全啟動過程中還可以與SCU一起使用。在此過程中,SCU解釋啟動設置,配置啟動源,并將啟動映像加載到內部或外部存儲器。反過來,SECO子系統使用其加密功能對已簽名的固件映像在加載之后但執行之前進行身份驗證。

    保護重要的顯示和控制功能
    盡管有效且安全地處理各種工作負載的能力很重要,但對于諸如汽車和工業領域的關鍵任務應用程序而言,保護關鍵功能的能力同樣至關重要。恩智浦的i.MX 8X系列將其處理能力與滿足這些關鍵要求所需的安全認證能力相結合。

    處理器家族的安全支持建立在多個層次上,首先是使用完全耗盡的絕緣體上硅(FD-SOI)工藝技術進行制造,以增強系統可靠性。由于系統安全性取決于強大的安全性基礎,因此啟用TrustZone的AP,SECO子系統和安全啟動功能的組合可以提供所需的受信任環境,以阻止對安全性和安全性的威脅。

    同時,能夠與用戶CM4 Complex一起獨立處理時間緊迫的任務,并將關鍵系統任務卸載到SCU和SECO子系統,這有助于確保盡管處理負載有所變化,關鍵任務應用程序功能仍然可用。實際上,恩智浦通過該公司的SafeAssure技術擴展了該概念,以支持關鍵任務顯示,該技術在i.MX 8X設備中集成了支持汽車安全完整性B級(ASIL B)的硬件顯示故障轉移路徑。使用SafeAssure,如果設備檢測到數據完整性或GPU錯誤,則會自動為用戶提供故障轉移映像。該故障轉移映像在后臺運行,可確保即使在主顯示器出現故障期間也仍然可以使用關鍵信息。

    對安全應用程序的支持擴展到基于i.MX 8X的系統中的內存訪問。在其受支持的內存接口中,i.MX 8X設備為雙倍數據速率3低壓(DDR3L)內存提供8位ECC。連同L2高速緩存中的ECC(再次參見圖2),此DDR3L ECC功能支持工業安全完整性級別3(SIL 3)。i.MX 8X架構還將ECC支持擴展到了外部閃存存儲設備。此處,集成的Bose,Ray-Chaudhuri,Hocquenghem(BCH)編碼器和解碼器模塊提供了62位ECC,能夠校正從這些存儲設備讀取的數據塊中的2至20個單位錯誤。

    調出基于i.MX 8X的應用程序
    與此類中的任何處理器一樣,實現基于i.MX 8X的設計需要仔細注意對電源的嚴格要求,包括關鍵的上電順序。為i.MX 8X設備通電時,需要依次或同時為四個不同的電源組通電,從SVNS子系統開始,再到SCU,I / O和內存接口,最后是設備的其余部分。開發人員只需使用恩智浦的PF8x00電源管理集成電路(PMIC)器件即可滿足此要求,該器件可提供支持i.MX 8X處理器以及外部存儲器和典型系統外圍設備所需的一整套電壓軌和控制信號(圖5)。 。

    在實施自己的基于i.MX 8X的設計時,開發人員可以使用NXP MC33PF8100CCES PMIC,該芯片已預先編程為與8QuadXPlus處理器(如MIMX8QX6AVLFZAC)一起使用。其他PF8x00變體(例如MC33PF8100A0ES和MC33PF8200A0ES)支持i.MX 8X處理器,但未進行預編程。

    對于安全應用,諸如MC33PF8200A0ES的PF8200系列設備集成了旨在支持ASIL B系統的功能。PF8200 PMIC連同多個內部監視器(包括帶有專用帶隙基準的輸出電壓監視器)一起,包括一個故障安全輸出(FSOB)引腳,該引腳用于在上電或電源故障事件期間將系統保持在安全狀態。此外,內置的模擬自測(ABIST)例程可測試所有電壓監控器,而自測例程可驗證其他設備功能。

    盡管PF8x00 PMIC可以簡化基于i.MX 8X的系統的硬件設計,但某些開發人員可能需要立即開始評估i.MX 8X設備并快速制作基于i.MX 8X的應用程序原型。恩智浦的MCIMX8QXP-CPU i.MX 8X多傳感器支持套件(MEK)提供了一個現成的開發平臺,該平臺結合了NXP i.MX 8QuadXPlus處理器,NXP F8100 PMIC,3 GB(GB)RAM,32 GB嵌入式多媒體控制器(eMMC)內存和64兆字節(Mbyte)閃存。除了顯示屏,攝像頭和音頻接口外,MEK板還包括一組通常用于汽車或工業應用中的傳感器。為了獲得更多的連接性,音頻和擴展選項,開發人員還可以添加NXP的可選MCIMX8-8X-BB基板。

    結論
    對于汽車,工業,樓宇控制和HMI等越來越多的應用程序,處理工作負載已擴展到既包括傳統的實時I / O處理,也包括新興的具有多媒體圖形的應用程序級處理。盡管每種工作負載都有設計選項,但很少有可用的解決方案能夠滿足對高性能,高能效解決方案的日益增長的需求,這些解決方案能夠滿足汽車和工業應用中對安全認證設計的要求。

    如圖所示,使用NXP Semiconductors的多核處理器系列,開發人員可以更有效地實施能夠滿足這些多樣化要求并易于擴展的設計,從而滿足新興的高性能要求。

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